砂巖儲層中凝灰質溶蝕效應的物理模擬實驗研究
——以珠江口盆地惠州—陸豐地區古近系文昌組為例

李曉艷,彭光榮,丁 琳,遠光輝,張 琴,吳瓊玲,靳子濠

1.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司,廣東 深圳 518054;2.中海石油(中國)有限公司 深海開發有限公司,廣東 深圳 518054;3.中國石油大學(華東),山東 青島 266071

近年來,隨著油氣勘探程度的提高,凝灰質砂巖的研究也越來越深入,并逐漸成為油氣勘探的重要領域[1-7]。相比于其他碎屑巖儲層,凝灰質砂巖往往含有較多的不穩定組分,能夠提供大量的溶蝕母質,產生溶蝕粒間孔,進而改善儲集性能[1-12]?？碧介_發實踐也證明,含凝灰質砂巖的油氣藏中具有十分豐富的油氣儲量,廣泛分布于鄂爾多斯盆地、海拉爾盆地、松遼盆地、準噶爾盆地和渤海灣盆地等地區,顯示了凝灰質砂巖的巨大勘探潛力[3-7,13-16]。

珠江口盆地珠一坳陷的惠州地區和陸豐地區古近系文昌組碎屑巖儲層同樣受到凝灰質的影響,儲層整體呈現中低孔—低滲特征,且具有較強的非均質性[2,17]。巖石學特征表明,文昌組砂巖儲層中凝灰質溶孔相對發育,是研究區優質儲層發育的有利因素之一[2]。但目前對凝灰質的溶蝕成孔作用控制因素的研究仍相對較少,尤其是不同成巖環境下的溶蝕作用特征仍不明確,制約了有利儲層的預測與勘探。

水—巖相互作用模擬實驗是探索溶蝕作用機理的有效手段,近年來有關典型不穩定礦物經流體改造的建設性溶蝕作用機制已經得到模擬實驗的證實[18-30]。本次研究以珠江口盆地珠一坳陷的惠州—陸豐地區文昌組凝灰質砂巖儲層為例,通過控制實驗變量,開展了一系列受實際溫度、壓力等成巖環境約束的凝灰質溶蝕模擬實驗,探索研究區碎屑巖儲層中凝灰質的溶蝕作用機理及其控制因素,并為有利儲層的預測提供實驗依據和理論支撐。

1 實驗設計與實施

1.1 水—巖模擬實驗裝置

溶蝕模擬設備采用的儀器是中國石油大學(華東)深層油氣重點實驗室自主研發的高溫高壓有機—無機相互作用模擬系統(圖1)。該儀器由恒壓泵、恒流泵及巖心夾持器等部分組成,其中流體—巖石相互作用夾持器及管線閥門均采用特設防腐材料制成,主要防止酸性流體對儀器的腐蝕。該儀器可以實現最高溫度(300±1) ℃、最高靜巖壓力100 MPa的溶蝕模擬實驗。實驗靜巖壓力由恒壓泵驅動蒸餾水提供,壓力誤差±0.1 MPa。恒速泵可實現的最大流量為(12±0.1) mL/min,能夠達到本次模擬實驗的要求。

圖1 溶蝕模擬實驗設備示意

1.2 巖石樣品選取與處理

實驗所用巖石樣品為惠州—陸豐地區文昌組鉆井巖心,為了探討凝灰質樣品豐度對溶蝕作用的影響,依據鏡下薄片觀察和全巖X衍射、電子探針等成分特征,分別選取了富凝灰質砂巖、含凝灰質砂巖以及貧凝灰質砂巖三類樣品(圖2)。

圖2 溶蝕模擬實驗樣品的巖石薄片特征

富凝灰質砂巖凝灰質總量20%,粒間幾乎不含顯孔(圖2a),凝灰質收縮縫沿顆粒邊緣發育,平均孔隙度5.75%,平均滲透率0.39×10-3μm2;含凝灰質砂巖溶蝕孔僅局部發育,平均凝灰質含量在8%,以凝灰質晶間微孔和少量粒間溶孔為主,原生孔不發育(圖2b),平均孔隙度11.7%,平均滲透率0.53×10-3μm2;貧凝灰質砂巖粒間溶蝕孔發育,凝灰質溶蝕殘余的面孔率為2%(圖2c),儲集空間以凝灰質溶孔和原生孔為主,平均孔隙度、滲透率分別為16.60%和2.08×10-3μm2(表1)。為消除可能因樣品體積差異而造成的影響,巖心樣品處理后端面水平,且側表面光滑,并確保巖心長度均為3 cm。

1.3 模擬實驗條件和實驗流體

惠州—陸豐地區文昌組儲層普遍于埋深3km后受到烴源巖成熟過程中生成的有機酸等酸性流體溶蝕[31-32],按照埋深3 km(地溫梯度3.3 ℃/km),海底溫度4 ℃,匹配地層條件的溫度和壓力,設計模擬實驗溫度為104 ℃,靜巖圍壓83.5 MPa,上游實驗流體壓力35 MPa、下游實驗流體壓力30 MPa。參考陸豐地區未被海水及鉆井液污染的地層水樣品[33],配置相應濃度的實驗溶液。碳酸氫根、氯離子、硫酸根、鈉離子、鉀離子、鎂離子、鈣離子濃度分別為425、2 475、55、1 532、117、11、247 mg/L,總礦化度為4 879 mg/L,有機酸為20 000 mg/L,并加入2%的冰醋酸,以模擬中埋藏階段儲層中的酸性侵蝕性流體環境。為探究成巖體系開放/封閉性對凝灰質溶蝕的影響,利用恒流/恒速泵驅替流體,分別設計0.2mL/min的低流速流體環境和0.5mL/min的高流速環境來模擬高溫高壓相對封閉成巖體系和開放成巖體系,以明確成巖體系開放/封閉性對酸性流體溶蝕改造粒間凝灰質的控制作用。此外,按照埋深1 500 m(地溫梯度3.3 ℃/km),選取典型的含凝灰質砂巖樣品(表1),模擬實驗溫度為50 ℃,靜巖圍壓42 MPa,上游實驗流體壓力17 MPa、下游實驗流體壓力15 MPa,設計0.5 mL/min的高流速環境的低溫低壓開放體系模擬實驗,以對比探究淺層開放流體體系與中深層相對封閉流體體系溶蝕效應的差異。

表1 溶蝕模擬實驗樣品信息

1.4 實驗實施與樣品分析

將預處理后的巖心樣品放入樣品套管中,并將夾持器兩端密封(圖1);將配置好的地層水模擬溶液加入溶液罐中。利用圍壓泵,增加靜巖壓力至目標值;打開恒速泵,將溶液罐中溶液恒速壓入反應釜。當夾持器入口端有壓力變化時,證明流體已經通過管線與樣品入口端表面接觸,此時以10 ℃/min的速度,快速升溫至目標溫度后恒定,并維持實驗進行48 h。實驗過程中,每間隔8 h采集從出口端流出的溶液樣品,利用ICP-MS分析溶液中離子濃度,并與初始溶液進行對比。實驗結束后,冷卻巖心夾持器到室溫,從夾持器中取出樣品,清洗烘干后測量巖心樣品孔隙度和滲透率,并對溶蝕后的樣品進行掃描電鏡、能譜及顯微薄片觀察等顯微結構和礦物類型分析。

2 實驗結果

2.1 溶蝕前后儲集物性對比

柱塞樣實驗前后物性結果表明,不同成巖流體體系和不同凝灰質含量條件下,凝灰質溶蝕對樣品物性的影響存在較大差異(表2)。其中,在開放體系中,含凝灰質砂巖樣品孔隙度與滲透率顯著提升,孔隙度是實驗前的2.16倍,由9.66%增加至20.88%,而滲透率則為實驗前的15.78倍,由0.51×10-3μm2增加至8.05×10-3μm2(表2),儲集性能顯著提高。除此之外,貧凝灰質砂巖樣品孔隙度和滲透率也有提高,但變化率遠低于含凝灰質砂巖樣品,孔隙度變化率8.46%,滲透率變化率42.11%(表2)。而在富凝灰質砂巖樣品中,孔隙度提升相對較少,變化率為12.8%,但其滲透率卻顯著降低,由0.42×10-3μm2降低至0.18×10-3μm2(表2)。在流速相對較慢的封閉體系中,含凝灰質砂巖仍保持相對較高的孔隙度、滲透率增加率,孔隙度增加14.03%,滲透率增加80.0%,整體儲層物性變化并不顯著(表2)。貧凝灰質砂巖同樣增幅不明顯,孔隙度增加了5.68%,滲透率增加了21.22%,仍具有低孔—特低滲的特征(表2)。而富凝灰質砂巖中,孔隙度、滲透率均呈現負增長的趨勢,孔隙度減少了2.73%,滲透率降低至0.06×10-3μm2(表2)。對比實驗結果表明,低溫開放體系實驗中,含凝灰質砂巖孔隙度和滲透率有一定增幅,孔隙度由15.77%增加至16.37%,滲透率由0.68×10-3μm2增加至1.87×10-3μm2。整體上,高溫開放體系中溶蝕作用導致的孔隙度、滲透率變化要高于封閉體系。而對于同種體系的不同含量凝灰質砂巖樣品而言,含凝灰質砂巖對酸性流體的溶蝕作用最為敏感,其次是貧凝灰質砂巖,均呈現溶蝕增孔增滲的效果,而富凝灰質砂巖實驗后儲集物性反而變差(表2)。

表2 珠江口盆地惠州—陸豐地區研究區凝灰質柱塞樣實驗前后物性特征

2.2 溶蝕前后儲集空間對比

使用鑄體薄片觀察,綜合對比反應前后樣品的儲集空間變化特征(圖3)。對于富凝灰質砂巖樣品反應后仍以局部凝灰質收縮縫為主,未出現明顯的溶蝕蝕變及溶蝕粒間孔,顯孔不發育(圖3a-c)。對于含凝灰質砂巖,儲集空間發生明顯的變化(圖3d-f)。在開放成巖體系中,凝灰質粒間溶孔相對發育,粒間具有凝灰質溶蝕殘余,與溶蝕蝕變前的凝灰質晶間孔相比,顯著提高了孔隙喉道連通性(圖3f)。此外,部分長石顆粒發生溶蝕蝕變,長石溶孔發育(圖3f);而反應前的樣品中,長石顆粒溶蝕現象較弱(圖3d);在封閉體系中,增孔作用相對不明顯,溶蝕粒間孔僅局部發育,仍以凝灰質晶間孔為主,且長石粒內溶孔幾乎不發育(圖3e)。就貧凝灰質砂巖樣品而言,無論成巖體系開放或封閉,儲集空間無明顯變化,仍以原有的凝灰質粒間溶孔及原生孔為主,但粒間凝灰質溶蝕殘余含量略有降低(圖3g-i)。而在低溫開放體系中,由于較低實驗溫度條件下溶蝕速率較低,導致相同實驗時間內,溶蝕強度弱于高溫開放體系,但仍強于高溫封閉體系,可見粒間凝灰質沿原有粒間孔或微裂縫發生溶蝕擴大(圖3j-l)。

圖3 溶蝕反應前后粒間凝灰質溶蝕差異

2.3 溶液離子濃度變化

依據實驗過程中收集并檢測到的Al3+、Ca2+、K+、Mg2+、Na+、Si4+離子濃度,計算溶蝕過程中離子的變化趨勢(反應過程中離子濃度與初始離子濃度的差值),能夠反應溶液中離子的溶解帶出與沉淀變化過程(圖4,圖5)。整體上,反應后的離子中,仍以Ca2+、K+、Mg2+、Na+為主,但由于凝灰質及其他易溶鋁硅酸鹽礦物的溶蝕,溶液中檢測到了不同含量的Al3+、Si4+離子(圖4,圖5),但離子濃度要遠低于其他4種金屬陽離子。其中,在低流速的封閉體系中,Al3+、Si4+和Mg2+離子整體呈現溶蝕帶出的趨勢,隨著反應的持續進行,上述離子濃度呈現穩定上升的趨勢,并最終保持相對穩定(圖4)。而Na+、Ca2+、K+離子的濃度則在反應過程中逐漸降低,呈負增長的趨勢,但仍具有一定的濃度(圖4)。相比而言,含凝灰質砂巖樣品在封閉體系中反應后,具有更高的Si4+、Na+、Ca2+、K+離子濃度,其次是貧凝灰質砂巖樣品(圖4a,b),而富凝灰質砂巖樣品反應過程中釋放的Si4+離子濃度較低,且Na+、Ca2+、K+離子濃度最低,不同凝灰質含量的封閉體系反應后具有近似相等的Mg2+離子及Si4+離子濃度(圖4)。而在高流速的開放流體環境中,與封閉體系截然不同,所有離子的離子濃度均呈現增加的趨勢,且Na+、Ca2+、K+離子的增加量要高于Al3+、Si4+離子(圖5)。類似的,受凝灰質含量的影響,含凝灰質砂巖樣品和貧凝灰質砂巖樣品反應后的離子濃度普遍高于富凝灰質砂巖樣品(圖5)。低溫開放體系與高溫開放體系相比,穩定后的各個離子的濃度普遍較低,也反映低溫環境下的溶蝕強度較弱。此外,不論體系開放封閉與否,離子濃度趨于穩定的反應時間與凝灰質含量呈反比,即凝灰質含量越高,離子濃度達到穩定的時間越短(圖4,圖5)。

圖4 低流速封閉體系反應過程中溶液離子濃度變化

圖5 高流速開放體系反應過程中溶液離子濃度變化

3 結果討論

從實驗結果來看,凝灰質的溶蝕過程受到成巖體系開放/封閉性及凝灰質含量的影響,并對儲集性能產生了不同的影響。以含凝灰質砂巖為例,在開放成巖體系中,凝灰質的溶蝕作用可以改善儲層物性(圖3d-f,表2)。從溶蝕特征來看,粒間凝灰質產生不同程度的溶蝕,溶蝕生成的Al3+、Si4+離子濃度增加(圖5b),也是凝灰質溶蝕的直接證據[6-7,34-36]。儲集空間也由實驗前的凝灰質晶間孔改變為溶蝕粒間孔,僅有凝灰質溶蝕殘余充填溶孔,孔隙喉道連通性變好,因而孔隙度和滲透率大幅度增加(圖3f,表2)。且Na+、K+、Mg2+、Ca2+等陽離子溶蝕后均呈現增加的趨勢,表明凝灰質溶蝕后,礦物表面未出現大量自生礦物的沉淀(圖5b)。而在流速相對較慢的封閉體系中,凝灰質溶蝕增孔作用相對較弱(圖3e,表2)。一方面,慢流速體系中溶蝕作用并沒有更強烈,與開放體系中的樣品相比,粒間溶孔相對不發育,且離子濃度顯示Al3+、Si4+等離子濃度相對較低(圖4b)。另一方面,Na+、K+、Ca2+等陽離子隨反應時間的增加而減少,表明凝灰質可能發生原地蝕變,酸性流體促進離子間的相互交換,導致金屬陽離子含量變低,也證明在封閉體系中,含凝灰質砂巖樣品以發生原地溶蝕蝕變為主,而并非大規模的溶蝕。整體上,封閉體系中的樣品溶蝕后儲集空間并未發生明顯變化(表2),仍以凝灰質晶間微孔為主(圖3e),自生高嶺石晶間孔及粒間凝灰質溶孔相對較少。

同一成巖流體體系中,凝灰質含量的不同也影響著溶蝕作用強度及規模。例如在相對高流速的開放成巖體系中,含凝灰質砂巖樣品溶蝕作用最強,其次是貧凝灰質砂巖樣品,而富凝灰質砂巖溶蝕最弱(表2,圖3)。實際上,在凝灰質砂巖中,凝灰質組分的構造和含量對孔隙類型構成及孔滲性能有直接的影響,粒間凝灰質含量為5%～15%時,凝灰質中的易溶部分增加了次生孔隙形成的有利條件。且在早期壓實過程中,相對較少的粒間凝灰質保留足夠的流體運移通道,如原生孔隙和長石溶孔等(圖3d-f),能夠使酸性流體有效作用于樣品。而凝灰質含量小于5%時,本身樣品中的易溶組分已在早期溶蝕過程中被淋濾殆盡,缺少溶蝕母質,導致溶蝕作用相對較弱(圖3g-i)。而對于富凝灰質砂巖而言,大量的塑性凝灰質會在早期壓實作用下使粒間孔隙大幅降低,僅保留凝灰質基質失水收縮形成的片條狀裂縫,孔滲性能較差,不利于酸性流體的運移(圖3a-c)。因此,富凝灰質砂巖難以有效增孔,且在靜巖壓力及水溶液作用下,粒間凝灰質進一步膨脹,堵塞孔隙喉道,導致富凝灰質砂巖樣品反應后孔滲降低。

4 油氣勘探意義

由埋藏條件下的酸性流體溶蝕模擬實驗可知,中淺層相對開放體系中,含凝灰質砂巖的溶蝕作用相對較強,酸性流體可以有效溶蝕儲層中的凝灰質,且在開放成巖體系中,不利于自生礦物的原地沉淀,因此,有利于提高儲層的孔隙度和滲透率[6-7,34-35,37]。而凝灰質含量相對較少的貧凝灰質砂巖,粒間凝灰質發生溶蝕蝕變,但凝灰質含量相對較少,粒間溶孔并不發育。在富凝灰質砂巖中,孔喉半徑被凝灰質充填,無法形成有利的酸性流體運移通道,溶蝕孔隙的發育更大程度上受流體溶解能力的控制,通常難以形成有效的儲集空間。而在晚期中深層相對封閉的成巖環境中,溶蝕作用普遍較弱,粒間溶孔僅在局部零星分布,并不能有效改善孔隙喉道連通性,雖對孔隙度的提升有一定的積極意義,但對滲透率的影響不大。此外,晚期封閉體系中,不利于溶蝕產物的遠距離搬運,溶蝕產物往往發生質量傳遞和近原地膠結作用,在一定程度上有損儲層整體的連通性,對儲層物性產生不利影響[37-38]。

惠州凹陷和陸豐凹陷文昌組儲層整體處于中成巖的A1期—A2期,有兩期酸性流體先后作用于儲層中粒間凝灰質[2,31-32,39]。在表生—早成巖A期,文昌組沉積后期經歷長期淺埋藏階段(<1 500 m),此階段與模擬實驗中的開放流體體系相似,具有較高的流體運移速度。同時由于火山活動頻發,大氣中二氧化碳濃度相對較高,溶于大氣淡水使其具有足夠的溶解營力作用于粒間凝灰質[40]。儲層進入早成巖B期—中成巖A期后,伴隨著烴源巖的成熟,有機酸及有機酸脫羧形成的CO2進入儲層,促進凝灰質等易溶物質的再次溶蝕[31-32,41],此時成巖作用體系與模擬實驗中的封閉流體體系相似。因此,對于沉積初期凝灰質含量相對較低(<15%),且具有良好的原始孔隙結構的砂巖儲層,能夠在經歷早期溶蝕作用后形成大量粒間溶孔,提供了晚期酸性流體及烴類充注的運移通道,在晚期溶蝕作用后,仍保留較多的溶蝕粒間孔,較易形成次生溶蝕型優質儲層,是珠一坳陷古近系增儲上產的有利區域,具有油氣勘探價值。

5 結論

(1)凝灰質的溶蝕過程受成巖體系開放/封閉性的影響,并對儲集性能產生了不同的影響。開放體系中凝灰質溶蝕增孔能力強于封閉體系,整體反應強度相對較高,有利于溶蝕增孔;封閉體系中凝灰質溶蝕產物近原地沉淀,不利于粒間孔的保存。

(2)粒間凝灰質含量決定原始孔喉結構及流體作用能力,影響溶蝕作用發生的難易程度及溶蝕效應。相同成巖體系中,含凝灰質溶蝕作用的強度強于貧凝灰質砂巖,富凝灰質砂巖難以發生溶蝕作用。

(3)實驗結果表明,儲層沉積初期凝灰質含量相對較低,能夠在經歷早期溶蝕作用后形成大量粒間溶孔,保留了晚期酸性流體及烴類充注的運移通道,晚期溶蝕作用后,較易形成次生溶蝕型優質儲層,是珠一坳陷古近系增儲上產的有利區域,具有一定的油氣勘探價值。

致謝:審稿專家對稿件給予了肯定并提出了非常有益的建議和意見,這對稿件質量的提升起到了很大的作用,在此表示誠摯的感謝。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors’Contributions

李曉艷、彭光榮、丁琳、遠光輝、靳子濠參與實驗設計;李曉艷、遠光輝、靳子濠完成實驗操作;李曉艷、彭光榮、丁琳、遠光輝、張琴、吳瓊玲、靳子濠參與論文寫作和修改。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The study was designed by LI Xiaoyan, PENG Guangrong, DING Lin, YUAN Guanghui and JIN Zihao. The experimental operation was completed by LI Xiaoyan, YUAN Guanghui and JIN Zihao. The manuscript was drafted and revised by LI Xiaoyan, PENG Guangrong, DING Lin, YUAN Guanghui, ZHANG Qin, WU Qiongling and JIN Zihao. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.